Proteoliza

Proteoliza je razlaganje proteina na manje polipeptide ili aminokiseline. Nekatalizoirane peptidne veze u hidroliziraju se vrlo sporo, trajući stotinama godina. Proteoliza je obično katalizirana ćelijskim enzimima pod nazivom proteaze, ali može nastati i unutar molekulske probave. Niska pH vrijednost ili visoka temperatura također mogu uzrokovati neenzimsku proteolizu.^[1]^[2]^[3]^[4]

Hidroliza proteina (crveno) pomoću nukleofilnog napada vode (plavo). Nekatalizirani poluživot je nekoliko stotina godina

Proteolize u organizmima služe u mnoge svrhe; npr, probavni enzimi razlažu proteine u hrani za dobijanje aminokiselina za metabolizam u organizmu, dok proteolitska obrada polipeptidnih lanca nakon sinteze može biti potrebne za proizvodnju aktivnih proteina. Također je važna u regulaciji nekih fizioloških i ćelijskih procesa, kao i sprečavanje akumulacije neželjenih ili abnormalnih proteina u ćelijama. Shodno tome, dis-regulacija proteolize može izazvati bolesti, a koristi se kod nekih otrovnica da se razloži njihov plijen.

Biološke funkcije

Posttranslacijske proteolitske modifikacije

Ograničena proteoliza polipeptida tokom ili nakon translacije pri sintezi proteina je česta pojava kod mnogih proteina. To može uključivati uklanjanje N-terminusnog metionina, signalnog peptida, i/ili pretvaranje neaktivnog proteina u aktivni. Prekursor krajnjeg funkciojskog oblika proteina se naziva proprotein. Proproteini se mogu inicijalno sintetizirati kao preproproteini. Primjerice, albumin se prvo sintetizira kao preproalbumin i sadrži neodvojeni signalni peptid. Iz njega se formira proalbumin, nakon odvajanja signalnog peptida, a daljim odvajanjem N-terminalnog propeptida sa 6 ostataka nastaje krajnji protein.^[5]

Uklanjanje N-vršnog metioninɑ

Pokretanje uklanjanja metionina (u prokariota, fMet) može se odvijati prilikom translacije u nastajanju proteina. Za Escherichia coli , fMet se efikasno ukloni ako je drugi ostatak mali i prazan, ali ne ako je drugi ostatak glomazan i naplaćuje. U oba slučaja prokarioti i eukarioti, poluživot izloženog N- terminalnog ostatka proteina se može utvrditi u skladu sa pravilom N-kraja.

Uklanjanje signalne sekvencə

Proteini koji će biti usmjerena na određeni organele ili za sekreciju, imaju N-vršni signalni peptid koji usmjerava protein do krajnjeg odredišta. Ovaj signalni peptid se uklanja proteolizom nakon njihovog transporta kroz membranu.^[6]

Razlaganje poliproteina

Neki proteini i većina eukariotskih polipeptidnih hormona sintetiziraju se kao veliki prekursorni polipeptidi poznati kao poliproteini koji proteolitski razlažu u pojedinačne manje polipeptidnne lance. Poliprotein pro-opiomelanokortin (POMC) je prisutan u mnogo polipeptidnih hormona. Obrazac njegovog razlaganja , međutim, može se razlikovati između različitih tkiva, koja nose različite grupe polipeptidnih hormona istog poliproteina.

Mnogi virusi i njihovi proteinski proizvodi u početku su kao jedan polipeptidni lanac koji je translatiran iz policistronske iRNK. Ovaj polipeptid se naknadno razlaže u individualne polipeptidne lanaca.

Razlaganje prekursornog proteina

Mnogi proteini i hormoni su sintetizirani u obliku svojih prekursora – zimogena, proenzima i prohormona. Ovi proteini su razlažu da formiraju svoje konačne aktivne strukture. Insulin, naprimjer, se sintetizira kao preproinsulin, koji daje proinsulin nakon razlaganje signalnog peptida. Da se formira zreli insulin, proinsulin se razlaže na dva mjesta pa nastaju dva polipeptidna lanca povezana s dvije disulfidne veze. Proinsulin je potreban za sklapanje polipeptidnog lanca, zato što se dvopolipeptidni lanci insulina ne mogu pravilno sastaviti u ispravan oblik, dok to može prekursor proinsulin.

Posebna proteaza se sintetizira u neaktivnom obliku, tako da oni mogu biti sigurno pohranjeni u ćelijama i spremni za puštanje u dovoljnim količinama kada je to potrebno. To se događa kako bi se osiguralo da se proteaza aktivira samo u ispravnoj lokaciji ili kontekstu, jer njeno neprikladno aktiviranje može biti vrlo destruktivno za organizam. Proteoliza zimogen daje aktivni protein; npr., kada se razlaže tripsinogen da se formira tripsin, blago se mijenja struktura proteina koji završava kao aktivna proteaz, čime se protein aktivira.

Proteoliza može, dakle, biti način regulacije bioloških procesa, pretvaranjem neaktivnih proteina u aktivne. Dobar primjer je kaskada zgrušavanja krvi, pri čemu početni događaj izaziva niz postepenih proteolitskih aktiviranja mnogih specifičnih proteaza, što je rezultira u zgrušavanju krvi. Dopunski sistem imunog odgovora također uključuje kompleks subsekventnih proteolitskih aktiviranja i interakcija koje rezultiraju u napadu na invaziju patogena.

Degradacija proteina

Degradacija proteina može se odvijati unutarćelijski ili vanćelijski. U probavi hrane, probavnih enzimi mogu biti pušteni u okoliš za vanćelijsko varenje, pri čemu proteolitičko razlaganje razbija proteine na manje peptide i aminokiseline, tako da mogu biti apsorbirani i korišteni u organizmu. U životinja, hrane može biti vanćelijski proizvedena u specijaliziranim probavnim organima ili želucima, ali u mnogim bakterijama ishrani može biti ograničena u ćeliju putem fagocitoze. Mikrobna degradacija proteina u okruženju može regulirati dostupnost hranjiva. Naprimjer, ograničenje glavnih proteinskih elemenata (ugljik, dušik, sumpor i drugi) izaziva proteolitsku aktivnost u gljive Neurospora crassa, kao i zajednice organizama tla u cjelini.^[7]^[8] Proteini u ćeliji su također stalno razlažu na aminokiseline. Ova unutarćelijska degradacija proteina služi velikom broju funkcija: uklanja oštećene i abnormalnr proteine i spriječava njihovo nagomilavanje, a služi i za regulaciju ćelijskih procesa, uklanjanjem enzima i regulacijskih proteina koji više nisu potrebni. Aminokiseline se onda mogu ponovno koristiti za sintezu proteina.

Struktura proteasoma. Njegovo aktivno mjesto je unutar cijevi (plavo), gdje se degradiraju proteini.

Lizosom i proteasom

Unutarćelijska degradacija proteina može se ostvariti na dva načina:

proteolizom u lizosomima, ili
ubikvitin-zavisnom procesu koji cilja neželjene proteine u proteasomu. Autofagijski – lizosomski ne put je normalno neselektivni proces, ali to može postati selektivno u stanju gladovanja, pri čemu se proteini sa peptidnim slijedom KFERQ ili slični selektivno razlažu. Lizosom sadrži veliki broj proteaza, kao što su catepsini.

Ubikvitin-posredovani proces je selektivan. Proteini za razgradnju su kovalentno vezani za ubikvitin. Mnoge njegove molekule mogu biti povezane u tandeme sa proteinima predodređenim za razgradnju. Poliubikvitinirani protein je ciljan na kompleks proteaza – ATP-zavisnu proteasom. Ubikvitini se oslobađaju i ponovo koriste, dok je ciljani protein degradiran.

Stopa degradacije unutarćelijskih proteina

Različiti proteini se degradiraju po različitim stopama. Abnormalni proteini se brzo degradiraju, dok stopa degradacije normalnih proteina može široko varirati, ovisno o njihovim funkcijama. Enzimi u važnim metaboličkim kontrolnim tačkama mogu biti degradirani mnogo brže od onih enzima čija je aktivnost u velikoj mjeri konstanta u svim fiziološkim uvjetima. Jedan od najvećih brzo degradirajućih proteina je ornitin dekarboksilaza, koja ima poluživot od 11 minuta. Nasuprot tome, drugi proteini poput aktina i miozina imaju poluživot od mjesec dana ili više, dok, u suštini, hemoglobin traje čitavo životni vijekvrijeme eritrocita.

Pravilo N-kraja može djelomično odrediti poluživot proteina, a proteini s segmentima bogatim prolinom, glutaminskom kiselinom, serinom i treoninom (tzv. PEST proteini) imaju kratak poluživot.^[9] Ostali faktori za koje se sumnja da utiču na degradaciju stope uključuju deaminaciju glutamina i asparagina i oksidaciju cisteina, histidina i metionina, odsustvo stabilizacije liganada, prisustvo dodatnih ugljikohidratnih ili fosfatnih grupa, prisustvo slobodne α-amino grupe, negativni naboj proteina, i fleksibilnost i stabilnost proteina.

Proteini sa višim stepenom unutrašnjih poremećaja, također imaju kraći poluživot ^[10] sa poremećenim segmentima nakon olakšavanja efikasnog pokretanja degradacije pomoću proteasoma.^[11]^[12]

Stopa proteolize također može ovisiti o fiziološkom stanju organizma, kao što je njegovo hormonalno i nutritivni status. U vremenu gladi, stopa degradacije proteina se povećava.

Varenje

U ljudskom varenju, proteini u hrani se razlažu u manje peptidne lance pomoću probavnih enzima, kao što su pepsin, tripsin, himotripsin i elastaza, a na aminokiseline pod uticajem raznih enzima, kao što je arboksipeptidaza, aminopeptidaza i dipeptidaza. Neophodno je da se proteini razlože u male peptide (tripeptide i dipeptide) i aminokiseline, tako da ih mogu crijeva mogu apsorbirati, a apsorburani tripeptidi i dipeptidi se dalje unutarćelijski razgrađuju u aminokiseline, prije nego što uđu u krvotok. Različiti enzimi imaju različite specifičnosti za supstrat; tripsin, na primjer, cijepa peptidne veze, nakon što je pozitivno elektrizira ostatke arginina i lizina. Himotripsin cijepa veze nakon aromatičnog ostatka (fenilalanin, tirozin i triptofana); elastaza cijepa veze nakon malih nepolarnih ostataka, kao što su alaninski ili glicinski.

U cilju sprečavanja neprikladnog ili preranog aktiviranja probavnih enzima (oni mogu, naprimjer, pokrenuti samodigestiju pankreasa, izazivajuči pankreatitis), ovi enzimi se luče kao neaktivne zmogeni. Preteču pepsina, pepsinogen, luči želudac, a aktivira se samo u kiseloj sredini, koja je prisutna u želucu. Pankreas luči prekursore velikog broja proteaza, kao što su tripsin i himotripsin. Zmogen tripsina je tripsinogen, koji se aktivira vrlo specifičnom proteazom, enterokinazom, koju luči sluznica duodenuma. Aktivirani tripsin može razlagati ostale molekule tripsinogena, kao i prekursore drugih proteaza, kao što su himotripsin i carboksipeptidaza /da ih aktivira). Kod bakterija, prisutna je sličnua strategija aktiviranja neaktivnog zimogena ili predzimogena. Subtilisin, koji se proizvodi kod Bacillus subtilis, se proizvodi kao pred Prosubtilisin, a stvara se samo ako je signalni peptid razložen i ako se pojavila autokatalitička proteolitička aktivacija.

Ćelijska regulacija

Proteolize je također uključena u regulaciju mnogih ćelijskih procesa aktiviranjem ili deaktiviranjem enzima, transkripcijskih faktora i receptora, npr. u biosintezi holesterola,^[13] ili posredovanju trombinske signalizacije putem proteazno-activativirani receptora,^[14] Neki enzimi za važne metaboličke kontrolne točke, kao što su ornitin dekarboksilaze imaju potpuno reguliranu stopu sinteze i stopu degradacije. Ostali brzo degradirajući proteini sadrže proteinske proizvode proto-onkogena, koji imaju centralnu ulogu u regulaciji rasta ćelija.

Regulacija ćelijskog ciklusa

Ciklini su grupa proteina koja aktivira kinaze koje su uključene u ćelijsku diobu. Degradacija ciklina je ključni korak za izlazak iz mitoze i ulaz u naredni ćelijski ciklus.^[15] Cyclini se akumuliraju u toku ćelijskog ciklusa , a zatim naglo nestaju neposredno prije anafaze mitoze. Uklanjaju se preko ubikvitin-posredovanog proteolitskog puta.

Apoptoza

Kaspaze su važna grupa proteaza uključenih u apoptozu. Prekursor kaspaze, proaspaza, može se aktivirati proteolizom putem svoje povezanosti s kompleksnim proteinom koji čini apoptosom ili granzim B ili preko puta receptorskog faktora nekroze tumora.

Proteoliza i bolesti

Nenormalma proteolitska aktivnost je povezana sa mnogim bolestima^[16] Pri pankreatitisu, lučenje proteaza i njihova prerana aktivacije rezultatira samodigestijom pankreasa. Osobe sa diabetes melitus možda imaju povećanu aktivnost lizosoma pa se aktivnost i degradacija nekih proteina može značajno povećati. Hronične upalne bolesti, kao što je reumatoidni artritis mogu uključivati oslobađanje lizosomnih enzima u vanćelijski prostor, gdje razlažu okolna tkiva. Abnormalna proteoliza i generiranje peptida koji se nakupljaju u ćelijama i njihovo neefikasno uklanjanje može dovesti do mnogih bolesti povezanih sa starenjem, kao što je Alzheimerova bolest.^[17]

Proteaze se mogu regulirati anti-proteazama ili inhibitorima proteaze, a neravnoteža između proteaza i antiproteaza može dovesti do bolesti, na primjer, u uništavanju plućnog tkiva u emfizemu koji je izazvan pušenjem duhana. Smatra se da pušenje poveća neutrofile makrofage u plućima, koji oslobađaju prekomjerne količine proteolitičkih enzima, kao što je elastaza, tako da oni više ne mogu biti onemogućen serpinima kao što su α₁-antitrypsin, što dovodi do probijanja vezivnog tkiva u plućima. Ostale proteaze i njihovi inhibitori mogu također biti uključeni u ovu bolest, kao naprimjer matrica metaloproteinaze (MMP) i inhibitori tkivne metaloproteinaze (TIMP).^[18] Ostale bolesti koje su vezane za neprikladnu proteolizu su mišićna distrofija, degeneracijski kožni poremećaji, respiratorne i probavne bolesti i zloćudnost tumora.

Reference

^ Voet D., Voet J. (1995): Biochemistry, 2nd Ed. Wiley, http://www.wiley.com/college/math/chem/cg/sales/voet.html.
^ Bugg T. (1997): An introduction to enzyme and coenzyme chemistry. Blackwell Science, Oxford, ISBN 0-86542-793-3.
^ Laidler K. J. (1978): Physical chemistry with biological applications. Benjamin/Cummings, Menlo Park, ISBN 0-8053-5680-0.
^ Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.
^ Creighton T. E. (1993). Proteins: Structures and molecular properties (2nd izd.). W H Freeman and Company. str. 78–86. ISBN 0-7167-2317-4.
^ Hirel P. H., M J Schmitter M. J., Dessen P., Fayat G., Blanquet S. (1989):. "Extent of N-terminal methionine excision from Escherichia coli proteins is governed by the side-chain length of the penultimate amino acid". Proc Natl Acad Sci U S A. 86 (21): 8247–8251. doi:10.1073/pnas.86.21.8247. PMC 298257. PMID 2682640.CS1 održavanje: dodatna interpunkcija (link) CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ Hanson M.A., Marzluf G. A. (1975): Control of the synthesis of a single enzyme by multiple regulatory circuits in Neurospora crassa. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 72: 1240–1244.
^ Sims G. K., Wander M. M. (2002): Proteolytic activity under nitrogen or sulfur limitation. Appl. Soil Ecol., 568:1-5.
^ Voet & Voet (1995). Biochemisty (2nd izd.). John Wiley & Sons. str. 1010–1014. ISBN 0-471-58651-X.
^ Tompa, P.; Prilusky, J.; Silman, I.; Sussman, J. L. (1. 5. 2008). "Structural disorder serves as a weak signal for intracellular protein degradation". Proteins. 71 (2): 903–909. doi:10.1002/prot.21773. ISSN 1097-0134. PMID 18004785.
^ Inobe, Tomonao; Matouschek, Andreas (1. 2. 2014). "Paradigms of protein degradation by the proteasome". Current Opinion in Structural Biology. 24: 156–164. doi:10.1016/j.sbi.2014.02.002. ISSN 1879-033X. PMC 4010099. PMID 24632559.
^ van der Lee, Robin; Lang, Benjamin; Kruse, Kai; Gsponer, Jörg; Sánchez de Groot, Natalia; Huynen, Martijn A.; Matouschek, Andreas; Fuxreiter, Monika; Babu, M. Madan. "Intrinsically Disordered Segments Affect Protein Half-Life in the Cell and during Evolution". Cell Reports. 8 (6): 1832–1844. doi:10.1016/j.celrep.2014.07.055. ISSN 2211-1247. PMC 4358326. PMID 25220455.
^ Michael S. Brown and Joseph L. Goldstein (maj 1997). "The SREBP Pathway: Regulation of Cholesterol Metabolism by Proteolysis of a Membrane-Bound Transcription Factor". Cell. 89 (3): 331–340. doi:10.1016/S0092-8674(00)80213-5. PMID 9150132.
^ Shaun R. Coughlin (2000). "Thrombin signalling and protease-activated receptors". Nature. 407 (6801): 258–264. doi:10.1038/35025229. PMID 11001069.
^ Glotzer M, Murray AW, Kirschner MW (1991). "Cyclin is degraded by the ubiquitin pathway". Nature. 349 (6305): 132–8. doi:10.1038/349132a0. PMID 1846030.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ Kathleen M. Sakamoto (2002). "Ubiquitin-dependent proteolysis: its role in human diseases and the design of therapeutic strategies" (PDF). Molecular Genetics and Metabolism. 77 (1–2): 44–56. doi:10.1016/S1096-7192(02)00146-4. PMID 12359129. Arhivirano s originala (PDF), 4. 3. 2016. Pristupljeno 20. 1. 2016.
^ De Strooper B. (2010). "Proteases and proteolysis in Alzheimer disease: a multifactorial view on the disease process". Physiological Reviews. 90 (2): 465–94. doi:10.1152/physrev.00023.2009. Provjerite vrijednost parametra |doi= (pomoć). PMID 20393191. Arhivirano s originala, 3. 5. 2015. Pristupljeno 20. 1. 2016.
^ Abboud RT1, Vimalanathan S (2008). "Pathogenesis of COPD. Part I. The role of protease-antiprotease imbalance in emphysema". International Journal of Tuberculosis and Lung Diseases. 12 (4): 361–7. PMID 18371259.

Također pogledajte

Vanjski linkovi

Proteolysis MAP from Center on Proteolytic Pathways

[1] Voet D., Voet J. (1995): Biochemistry, 2nd Ed. Wiley, http://www.wiley.com/college/math/chem/cg/sales/voet.html.

[2] Bugg T. (1997): An introduction to enzyme and coenzyme chemistry. Blackwell Science, Oxford, ISBN 0-86542-793-3.

[3] Laidler K. J. (1978): Physical chemistry with biological applications. Benjamin/Cummings, Menlo Park, ISBN 0-8053-5680-0.

[4] Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Ed. (2005): Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB), Sarajevo, ISBN 9958-9344-1-8.

[creighton-5] Creighton T. E. (1993). Proteins: Structures and molecular properties (2nd izd.). W H Freeman and Company. str. 78–86. ISBN 0-7167-2317-4.

[6] Hirel P. H., M J Schmitter M. J., Dessen P., Fayat G., Blanquet S. (1989):. "Extent of N-terminal methionine excision from Escherichia coli proteins is governed by the side-chain length of the penultimate amino acid". Proc Natl Acad Sci U S A. 86 (21): 8247–8251. doi:10.1073/pnas.86.21.8247. PMC 298257. PMID 2682640.CS1 održavanje: dodatna interpunkcija (link) CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[7] Hanson M.A., Marzluf G. A. (1975): Control of the synthesis of a single enzyme by multiple regulatory circuits in Neurospora crassa. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 72: 1240–1244.

[8] Sims G. K., Wander M. M. (2002): Proteolytic activity under nitrogen or sulfur limitation. Appl. Soil Ecol., 568:1-5.

[9] Voet & Voet (1995). Biochemisty (2nd izd.). John Wiley & Sons. str. 1010–1014. ISBN 0-471-58651-X.

[10] Tompa, P.; Prilusky, J.; Silman, I.; Sussman, J. L. (1. 5. 2008). "Structural disorder serves as a weak signal for intracellular protein degradation". Proteins. 71 (2): 903–909. doi:10.1002/prot.21773. ISSN 1097-0134. PMID 18004785.

[11] Inobe, Tomonao; Matouschek, Andreas (1. 2. 2014). "Paradigms of protein degradation by the proteasome". Current Opinion in Structural Biology. 24: 156–164. doi:10.1016/j.sbi.2014.02.002. ISSN 1879-033X. PMC 4010099. PMID 24632559.

[12] van der Lee, Robin; Lang, Benjamin; Kruse, Kai; Gsponer, Jörg; Sánchez de Groot, Natalia; Huynen, Martijn A.; Matouschek, Andreas; Fuxreiter, Monika; Babu, M. Madan. "Intrinsically Disordered Segments Affect Protein Half-Life in the Cell and during Evolution". Cell Reports. 8 (6): 1832–1844. doi:10.1016/j.celrep.2014.07.055. ISSN 2211-1247. PMC 4358326. PMID 25220455.

[13] Michael S. Brown and Joseph L. Goldstein (maj 1997). "The SREBP Pathway: Regulation of Cholesterol Metabolism by Proteolysis of a Membrane-Bound Transcription Factor". Cell. 89 (3): 331–340. doi:10.1016/S0092-8674(00)80213-5. PMID 9150132.

[14] Shaun R. Coughlin (2000). "Thrombin signalling and protease-activated receptors". Nature. 407 (6801): 258–264. doi:10.1038/35025229. PMID 11001069.

[15] Glotzer M, Murray AW, Kirschner MW (1991). "Cyclin is degraded by the ubiquitin pathway". Nature. 349 (6305): 132–8. doi:10.1038/349132a0. PMID 1846030.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[16] Kathleen M. Sakamoto (2002). "Ubiquitin-dependent proteolysis: its role in human diseases and the design of therapeutic strategies" (PDF). Molecular Genetics and Metabolism. 77 (1–2): 44–56. doi:10.1016/S1096-7192(02)00146-4. PMID 12359129. Arhivirano s originala (PDF), 4. 3. 2016. Pristupljeno 20. 1. 2016.

[17] De Strooper B. (2010). "Proteases and proteolysis in Alzheimer disease: a multifactorial view on the disease process". Physiological Reviews. 90 (2): 465–94. doi:10.1152/physrev.00023.2009. Provjerite vrijednost parametra |doi= (pomoć). PMID 20393191. Arhivirano s originala, 3. 5. 2015. Pristupljeno 20. 1. 2016.

[18] Abboud RT1, Vimalanathan S (2008). "Pathogenesis of COPD. Part I. The role of protease-antiprotease imbalance in emphysema". International Journal of Tuberculosis and Lung Diseases. 12 (4): 361–7. PMID 18371259.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]